Prüfgerät zum Prüfen von Oberflächen
Das Hauptpatent betrifft ein Verfahren und ein Prüfgerät zum Prüfen von Oberflächen.
Der Patentanspruch II des Hauptpatents definiert ein Prüfgerät zum Prüfen von Oberflächen, mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines ersten, gemäss dem Oberflächenprofil modulierten kontinuierlichen Messsignals, bei dem ein Speicher zur Speicherung des ersten Signals als eine kontinuierliche Funktion vorgesehen ist, so dass das gespeicherte Signal das Istprofil der zu prüfenden Oberfläche wiedergibt, sowie einer Einrichtung, welche aus dem gespeicherten ersten Signal ein zweites, dem Istprofil zugeordnetes Signal ableitet, dessen Momentanwert für jeden Punkt des Istprofils jeweils durch ein Faltungsintegral gegeben ist, wobei die das zweite Signal ableitende Einrichtung Integrationsmittel enthält,
welche die aus Momentanwerten des gespeicherten Signals und entsprechenden Momentanwerten einer in bezug auf den genannten Punkt symmetrischen Gewichtsfunktion gebildeten Produkte über einen beiderseits des genannten Punktes liegenden Bereich integriert.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, die vorstehend genannte Vorrichtung dahingehend zu verbessern, dass sich eine besonders einfache Bewertungsmöglichkeit der jeweils gespeicherten, auf die Ahtastung einer Oberfläche hin erzeugten Signale für die Gewinnung eines für die Erzeugung dieser Signale verwendeten Bezugsniveaus ergibt. Gelöst wird diese Aufgabe beim Prüfgerät der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch, dass der zur Speicherung des ersten Signals dienende Speicher ein Magnetspeicher ist und dass die Intergrationsmittel der Einrichtung zur Ableitung des zweiten Signals eine Leseeinrichtung zum Ablesen des Magnetspeichers umfassen.
Die Leseeinrichtung enthält vorzugsweise wenigstens einen Lesekopf, der mit einem elektrischen Leiter umwickelt ist, dessen Windungen über die Länge des Lesekopfes in gleichen Abständen verteilt sind. Das vom elektrischen Leiter aufgenommene Signal wird dann vorteilhaft naeh Massgabe einer gegebenen Gewichtsfunktion bewertet.
In Abweichung hiervon kann die Leseeinrichtung zumindest einen Lesekopf enthalten, der mit einem elektrischen Leiter umwickelt ist, dessen Windungen über die Länge des Lesekopfes entsprechend einer gegebenen Gewichtsfunktion verteilt sind.
Gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält die Leseeinrichtung wenigstens einen Lesekopf, sowie Einrichtungen zur Bewegung des magnetischen Speichers relativ zum Lesekopf mit einer bestimmten Geschwindigkeit, wobei sich die Effektive Empfindlichkeit des Lesekopfes über seine Länge in Richtung der Bewegung des Magnetspeichers entsprechend einer gegebenen Gewichtsfunktion ändert.
Die der genannten Gewichtsfunktion entsprechende Änderung der effektiven Empfindlichkeit des Lesekopfes über dessen Länge kann dadurch erfolgen, dass sich die Länge des Lesekopfes in einer quer zur Richtung der Bewegung des Magnetspeichers verlaufenden Richtung ändert.
Das erfindungsgemässe Prüfgerät kann einen Aufzeichnungskopf zur Aufzeichnung von modulierten Signalen auf dem magnetischen Aufzeichnungsträger enthalten. Zur Abgabe der modulierten Signale können Einrichtungen vorgesehen sein, die ein Trägersignal durch das Messignal zu modulieren erlauben.
Als magnetischer Speicher kann eine Trommel mit einer magnetisierbaren Oberfläche verwendet werden, wobei durch entsprechende Antriebseinrichtungen die Ausübung einer relativen Drehbewegung zwischen der Trommel und den jeweils vorgesehenen Leseköpfen bewirkbar ist. Im Unterschied hierzu kann als magnetischer Speicher auch ein Magnetband oder ein Magnetdraht verwendet werden, wobei dann durch entsprechende Antriebseinrichtungen eine relative geradlinige Bewegung zwischen dem Magnetband bzw. Magnetdraht und dem jeweils vorgesehenen Aufzeichnuns kopf bewirkt wird.
Anhand von Zeichnungen wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Fig. 1 und 2 verdeutlichen anhand schematischer Darstellungen das Prinzip der Profilausmessung.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Prüfgerätes.
Ein Prüfgerät zur Ausmessung des Profils einer Oberfläche enthält eine Messeinrichtung, bei der ein Taststift (nicht gezeigt) über die Oberfläche, deren Profil auszumessen ist, bewegt wird. Jegliche in der Oberfläche vorhandene Unregelmässigkeit wird von dem Abtaststift auf einen Wandler (nicht gezeigt) übertragen, der ein derartigen Unregelmässigkeiten proportionales Messignal erzeugt. Den Verlauf eines solchen Messignals zeigt die in Fig. 1 dargestellte Kurve A. Um einen Profilverlauf, wie er durch die Kurve A gegeben ist, zu bestimmen, ist es wünschenswert, ein Bezugsniveau, d. h. eine Bezugslinie zu erzeugen, in bezug auf die die Messungen ausgeführt werden können. Eine solche Bezugslinie ist in Fig. 1 durch die Linie B gegeben.
Diese Bezugslinie B verläuft durch den Schnittpunkt C; sie schneidet die Kurve A derart, dass die durch die Kurve A über der Linie B liegenden Flächenbereiche gleich den unter der Linie B liegenden Flächenbereichen sind. Eine solche Linie B kann als Mittellinie bezeichnet werden. Sie wird dadurch erhalten, dass eine Folge von Ordinatenpunkten aufgetragen wird, deren jeder wie folgt gewonnen wird.
Hierzu sei der Punkt C auf der Mittellinie B betrachtet, dessen Ordinatenwert zu bestimmen ist. Der Punkt C besitzt denselben Abszissenwert, wie ein auf der Oberflächenprofilkurve A liegender entsprechender Punkt D. Es lässt sich mathematisch zeigen, dass in dem Fall, dass eine endliche Anzahl von Ordinatenwerten der Kurve A vor und hinter dem Abszissenwert des Punktes D gewählt wird und die Ordinatenwerte in einem bestimmten, jeweils gleichen Abstand zu beiden Seiten des Punktes D gewählt werden, es möglich ist, den Ordinatenwert von C zu berechnen. Hierzu wird ein Mittelwert jener Ordinatenwerte genommen, nachdem die Ordinatenwerte entsprechend der in Fig. 2 dargestellten Kurve bewertet sind.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es erwünscht, jedoch nicht notwendig, dass die auf der einen Seite des Punktes D verteilten Gewichte die gleichen sind wie die auf der anderen Seite des Punktes D verteilten Gewichte; die Gewichte sind als symmetrisch um den Punkt D verteilt anzusehen. Es sei bemerkt, dass mit zunehmendem Abstand vom Punkt D das dem jeweiligen Ordinatenwert zugeordnete Gewicht allmählich bis auf Null abnimmt. Bei der in Fig. 2 dargestellten allgemeinen Funktion sind zwischen U und V Bereiche vorhanden, bei denen den Ordinatenwerten ein negatives Gewicht zugeteilt werden muss, um einen echten Wert der Ordinatenpunkte von C zu erhalten. Bei einfacheren Funktionsarten braucht der negative Teil jedoch nicht anzusteigen.
Über eine gewisse Strecke hinweg hört die Berechnung auf, irgendeine praktische Auswirkung auf den Wert des Punktes C zu haben. Dies ist der Grund dafür, dass nur der bestimmte Abstand X-Y in Betracht zu ziehen ist.
Es sei bemerkt, dass bei Verwendung einer anderen Gewichtsfunktion X-Y, z. B. bei Verwendung einer zwischen U-U und V-V sich erstreckenden Funktion, eine andere Mittellinie erhalten wird.
Die Messignalfolge (Fig. 1) zum Zeitpunkt t kann als Funktion f(t) dargestellt werden. Dieses Messignal wird durch die Gewichtsfunktion (Fig. 2) modifiziert, die als eine Funktion h(t) dargestellt werden kann, welche den Wert 1 zum Zeitpunkt t und einen Wert h(t) zum Zeitpunkt (t-T) besitzt. Zu dem späteren Zeitpunkt ist das Messignal jedoch f(t-T), so dass das sich ergebende bewertete Messignal als Faltungsintegral F(t) dargestellt werden kann.
F (t) = ( f (t - T) h(T) dT
Das Messignal f(t) wird elektromagnetisch gespeichert, und die Bewertung entsprechend einer gewünschten Gewichtsfunktion erfolgt durch annäherungsweises Bewerten der für das Auslesen des gespeicherten Signals vorgesehenen Leseeinrichtung, wie dies rein schematisch in Fig. 3 dargestellt ist.
Ein flexibles Band 70 mit einer Oberflächenschicht aus magnetischem Material wird mit einer konstanten Geschwindigkeit (durch herkömmliche, hier nicht dargestellte Einrichtungen) nacheinander an einer Aufzeichnungsstelle 71 und an einer Lesestelle 72 vorbeigeführt.
An der Aufzeichnungsstelle 71 ist ein Aufzeichnungskopf 73 vorgesehen, der eine schmale, sich quer über die gesamte Breite des Bandes 70 neben der mit dem magnetischen Material überzogenen Bandoberfläche erstreckende Kopffläche aufweist.
Das Messignal f(t) wird auf dem Magnetband 70 als ein eine bestimmte Frequenz besitzendes amplitu denmoduliertes Hochfrequenzsignal aufgezeichnet. Das unmodulierte Hochfrequenzsignal wird von einem Oszillator 74 erzeugt. Dabei wird das Messignal f(t) dadurch gespeichert, dass die Magnetisierung des Magnetbandes 70 über dessen gesamte Breite in Bewegungsrichtung des Magnetbandes entsprechend der Funktion f(t) vorgenommen wird.
Dicht neben der mit einer magnetisierbaren Schicht überzogenen Oberfläche des Magnetbandes 70 sind an der Lesestelle 72 Leseköpfe 76, 77, 78, 79 angeordnet; diese Leseköpfe ermitteln beim Vorbeilaufen des betreffenden Magnetbandes an ihnen die auf dem Magnetband magnetisch gespeicherten Signale. Die Amplitude des von einem Magnetkopf von irgendeinem schmalen, quer zur Längsrichtung des Magnetbandes 70 verlaufenden Magnetbandstreifen aufgenommenen Signales hängt von der Grösse der durch den jeweiligen Magnetkopf überdeckten Streifenfläche ab.
Jeder der Magnetköpfe 76, 77, 78 erstreckt sich nur zu einem Teil über das Magnetband 70 hinweg; wobei die Quer-Breite des jeweiligen Magnetkopfes sich mit dessen Länge entsprechend dem Produkt aus der gewünschten Gewichtsfunktion h(t) und einem Signal (z. B. einem Rechtecksignal) ändert, das mit derselben Frequenz auftritt, wie die Signale der Trägersignalfolge. Wie gezeigt, können die Profile der Leseköpfe 76 und 77 entsprechend den negativen Teilen der gewünschten Gewichtsfunktion geformt sein; das Profil des Lesekopfes 78 kann entsprechend dem positiven Teil der Gewichtsfunktion geformt sein.
An die Magnetköpfe 76, 77, 78 sind Demodulatoren 76', 77', 78' angeschlossen. An die Ausgänge der Demodulatoren 76', 77' ist der Eingang eines Verstärkers 80 angeschlossen, während an den Ausgang des Demodulators 78' der Eingang eines Verstärkers 81 angeschlossen ist.
Die Ausgangssignale der Verstärker 80, 81 werden in einer Subtrahierschaltung 82 voneinander subtra hiert. Das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 82 stellt den jeweiligen Augenblickswert des Faltungsinte- grals dar. Der Magnetkopf 79 weist in Bewegungsrichtung des Magnetbandes eine sehr geringe Abmessung auf; er ist von dem Aufzeichnungskopf 73 in einem Abstand ST angeordnet. An den Magnetkopf 79 ist ein entsprechender Demodulator 79' angeschlossen, dessen Ausgangssignal, das proportional f(t-T) ist, über einen Verstärker 83 einer Vergleicherschaltung 84 zugeführt wird, in welcher dieses Ausgangssignal mit dem Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 82 verglichen wird, um eine Oberflächen-Endmessung vorzunehmen.
Hierzu dient zweckmässigerweise ein Messinstrument 85. Die maximale Breite des Lesekopfes 78, die dem Höchstwert der Gewichtsfunktionskurve entspricht, liegt (gemäss Fig. 3) gegenüber dem Lesekopf 79.
Das Messignal kann im Unterschied zu dem zuvor betrachteten Ausführungsbeispiel auch auf einer sich drehenden Trommel magnetisch gespeichert sein, die mit einem magnetischen Oberflächenüberzug versehen ist und um deren Umfang herum die Aufzeichnungsund Lesestellen verteilt sind. Im allgemeinen kann jedes magnetische Speichermedium zur Speicherung der Messignale verwendet werden, wobei eine relative Bewegung zwischen dem magnetischen Speichermedium und den Aufzeichnungs- und Leseköpfen bewirkt wird.
Die in dem magnetischen Speichermedium gespeicherten Messignale werden entsprechend der oben beschriebenen Gewichtsfunktion oder nach anderen Verfahren als den durch Fig. 3 veranschaulichten Verfahren bewertet. So kann z. B. die Lesestelle 72 mit einem Lesekopf versehen sein, der sich in Bewegungsrichtung S erstreckt und mit einer Anzahl von Leiter- oder Aufnahmespulen versehen ist, die in gleichen Abständen über die Länge des Lesekopfes verteilt sind. Die an den Lesekopf dabei angeschlossene äussere Schaltung ist derart ausgebildet, dass die von den betreffenden Aufnahmespulen aufgenommenen Signale in bezug auf die oben erwähnte Gewichtsfunktion entsprechend bewertet werden. In Abweichung hiervon oder zusätzlich hierzu kann der Abstand der Aufnahmespulen über die Länge desl Lesekopfes hinweg entsprechend der obigen Gewichtsfunktion bemessen sein.
Diese Verfahren zur Bewertung des Ausgangssignales des Lesekopfes sind insbesondere dann anwendbar, wenn das magnetische Speichermedium keine nennenswerte Breite besitzt, wie dies z. B. bei einem magnetisierbaren Draht der Fall ist. Im allgemeinen wird die Bewertung dadurch vorgenommen, dass die effektive Empfindlichkeit des Lesekopfes oder der Leseköpfe in Bewegungsrichtung des magnetischen Speichermediums entweder elektrisch, und zwar durch äussere Schaltungen, oder geometrisch, und zwar durch die Form und/oder Anordnung der jeweiligen Leseköpfe, oder durch eine Kombination beider Methoden geändert wird.
Gemäss einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung kann das magnetische Speichermedium einen Magnetkernspeicher enthalten, dem eine geeignete Bewertungs-Leseeinrichtung zugeordnet ist.